TWI782822B

TWI782822B - 利用掃描式同調光繞射的三維顯影方法及系統

Info

Publication number: TWI782822B
Application number: TW110147201A
Authority: TW
Inventors: 陳健群
Original assignee: 國立清華大學
Priority date: 2021-12-16
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2022-11-01
Also published as: US20230199162A1; US11968351B2; TW202326617A

Abstract

一種利用掃描式同調光繞射的三維顯影方法及系統中，二維光偵測器偵測由光源以掃描方式朝向待測樣品的單一面向發射的同調光束經繞射而產生的多個二維繞射資料分布；處理器將該等二維繞射資料分布轉換成在倒空間的多個三維強度分布，根據樣品函數、光源函數和該等三維強度分布進行多次迭代演算以獲得相位回復的樣品函數，並根據該相位回復的樣品函數並執行三維繪圖應用程式生成該待測樣品的三維重建影像，藉此實現相對容易、省時且對該待測樣品所遭受之光照射損害降至最低的三維影像重建。

Description

利用掃描式同調光繞射的三維顯影方法及系統

本發明是有關於三維影像重建技術，特別是指一種利用掃描式同調光繞射的三維顯影方法及系統。

對於待測物或樣品的三維影像重建，現有的一種方式是先以可穿透樣品的高強度同調(Coherent)光(例如，X光、雷射光、電子光源等)照射於待測物或樣品上並且以預定旋轉角度多次旋轉該樣品以來改變樣品或待測物相對於入射的同調光的角度且利用二維的光感測模組來收集樣品或待測物在不同面向(角度)經由繞射產生的二維繞射圖譜；然後利用傅立葉切片定理(Fourier Slice Theorem)，對應於每一角度的二維繞射圖譜(含相位)，經過反傅立葉轉換處理後獲得對應於該角度的二維投影影像；之後利用斷層掃描重組(Tomographic Reconstruction)技術將獲得的所有二維投影影像進行重組以獲得樣品或待測物的三維影像。

然而，上述方式在進行斷層掃描重組之前，必須先對每一角度的二維投影影像進行共同轉軸的校正，而此校正步驟將會導致更多的誤差的產生。此外，在上述方式中，置於載台上的樣品或待測物必須經過多次旋轉、旋轉角度校準、資料處理等程序，因而導致整個程序相對麻煩且耗時。特別值得注意的是，當載台的旋轉角度大於一角度(例如，70°)時(在此情況下，載台所處方位將接近同調光束的入射方向)將無法獲得樣品或待測物對應於此角度或更大角度的二維繞射圖譜，亦即無法獲得樣品或待測物對應於全部(旋轉)角度的二維繞射圖譜。另一方面，在上述方式中，入射的同調光的光斑在尺寸上需大於樣品或待測物，如此將大大地限制了上述方式應用於具有較大尺寸的樣品或待測物，不僅如此，由於入射的同調光又必須多次穿透整個樣品或待測物上，如此將使整個樣品或待測物因遭受到相對較長時間的高強度光照射而導致不可逆的損害。

因此，對於樣品或待測物的三維影像重建，如何發展出一種相對方便、省時並可將光照射之損害降至最低的三維顯影方式已成為相關技術領域所欲解決的議題之一。

因此，本發明的目的，即在提供一種利用掃描式同調光繞射的三維顯影方法及系統，其能克服現有技術至少一個缺點。

於是，本發明所提供的一種利用掃描式同調光繞射的三維顯影方法係用於一待測樣品的三維影像重建，並包含以下步驟：(A)藉由一可相對於該樣品移動之光源，以掃描的方式分別在N個掃描位置朝著該待測樣品的同一面向發射一同調光束，以使得照射在該待測樣品上的N個光斑區域其中的任兩相鄰光斑區域彼此部分重疊；(B)藉由一二維光偵測器，偵測該光源在每一掃描位置所發射之同調光束經由該待測樣品的一對應光斑區域之繞射而產生對應於該掃描位置的一二維繞射資料分布，以獲得N個分別對應於該N個掃描位置的二維繞射資料分布；(C)藉由一處理器，利用數學座標轉換，將每一二維繞射資料分布所含的所有資料點佈建到一三維球座標系以生成彼此相對於原點對稱之雙球殼且將該雙球殼其中一者上所有資料點呈現於倒(傅立葉)空間的一三維直角座標系，以獲得在倒空間且對應於該二維繞射資料分布的一三維強度分布

，其中j=1,...,N；(D)藉由該處理器，根據與該待測樣品之三維結構有關的樣品函數、與該光斑區域之結構有關的光源函數、及分別對應於該N個掃描位置的N個三維強度分布

,

,...,

，執行一次迭代演算以獲得對應於該次迭代演算的重建樣品函數和重建光源函數，在該次迭代演算中，該處理器依序使j=1到j=N反覆進行以下運算操作：(i)將由該樣品函數O _j,r和該光源函數P _j,r之乘積所定義的一波函數ψ _j,r進行傅立葉轉換以獲得在倒空間的分布資訊φ _j,q；(ii)根據對應於第j個掃描位置的該三維強度分布

，在振幅上更新該分布資訊φ _j,q，以獲得更新的分布資訊

；(iii)將該更新的分布資訊

進行反傅立葉轉換以獲得在實空間的更新波函數

；及(iv)根據該樣品函數O _j,r、該光源函數P _j,r和該更新波函數

且利用預定演算方式，獲得更新的樣品函數

和更新的光源函數

，且當j≠N時，將該更新的樣品函數

和該更新的光源函數

作為下一次的運算操作(i)中的該樣品函數O _j,r和該光源函數P _j,r；(E)藉由該處理器，在判定出該重建樣品函數不符合一預定收斂條件時，重複執行步驟(D)，並直到判定出已執行的最後一次迭代演算所獲得的重建樣品函數符合於該預定收斂條件時才停止執行步驟(D)；及(F)藉由該處理器，執行一預定三維繪圖應用程式並根據該最後一次迭代演算獲得的該重建樣品函數，生成對應於該重建樣品函數所含的一特定值的三維包絡曲面作為該待測樣品的一三維重建影像，並使該三維重建影像顯示於一顯示模組。

於是，本發明所提供的一種利用掃描式同調光繞射的三維顯影系統係用於一待測樣品的三維影像重建，並包含一光源、一驅動模組、一二維光偵測器、一處理器及一顯示模組。

該光源可在一方向上與該待測樣品的一入射面相對的一平面內移動，並操作來對該待測樣品的該入射面發射一同調光束。

該驅動模組係組配來以一掃描方式驅動該光源分別在該平面內的N個掃描位置移動，以使得照射在該待測樣品的該入射面上的N個光斑區域其中任兩相鄰光斑區域彼此部分重疊。

該二維光偵測器係設置在該方向上且操作來偵測該光源在每一掃描位置所發射之同調光束經由該待測樣品的一對應光斑區域之繞射而產生對應於該掃描位置的一二維繞射資料分布，以獲得N個分別對應於該N個掃描位置的二維繞射資料分布。

該處理器電連接該二維光偵測器以接收該N個二維繞射資料分布，並包括一座標轉換模組、一迭代演算模組、一迭待判定模組、及一重建模組。

該座標轉換模組利用數學座標轉換，將每一二維繞射資料分布所含的所有資料點佈建到一三維球座標系以生成彼此相對於原點對稱之雙球殼，且將該雙球殼其中一者上所有資料點呈現於倒(傅立葉)空間的一三維直角座標系，以獲得在倒空間且對應於該二維繞射資料分布的一三維強度分布

，其中j=1,...,N。

該迭代演算模組根據與該待測樣品之三維結構有關的樣品函數、與該光斑區域之結構有關的光源函數、及分別對應於該N個掃描位置的N個三維強度分布

,

,...,

，執行一次迭代演算以獲得對應於該次迭代演算的重建樣品函數和重建光源函數，在該次迭代演算中，該迭代演算模組依序使j=1到j=N反覆進行以下運算操作：(i)將由該樣品函數O _j,r和該光源函數P _j,r之乘積所定義的一波函數ψ _j,r進行傅立葉轉換以獲得在倒空間的分布資訊φ _j,q；(ii)根據對應於第j個掃描位置的該三維強度分布

，在振幅上更新該分布資訊φ _j,q，以獲得更新的分布資訊

；(iii)將該更新的分布資訊

進行反傅立葉轉換以獲得在實空間的更新波函數

且利用預定演算方式，獲得更新的樣品函數

和更新的光源函數

，且當j≠N時，將該更新的樣品函數

和該更新的光源函數

作為下一次的運算操作(i)中的該樣品函數O _j,r和該光源函數P _j,r。

該迭代判定模組在判定出該迭代演算模組所獲得的該重建樣品函數不符合於一預定收斂條件時，使該迭代演算模組將所獲得的該重建樣品函數與該重建光源函數分別作為該樣品函數O _j,r和該光源函數P _j,r重複執行一次該迭代演算，直到判定出該迭代演算模組在已執行的最後一次迭代演算所獲得的重建樣品函數符合於該預定收斂條件時，將該迭代演算模組在該最後一次迭代演算獲得的該重建樣品函數作為代表該待測樣品的相位回復的樣品函數。

該重建模組經由一預定三維繪圖應用程式的執行，根據該相位回復的樣品函數，生成對應於該相位回復的樣品函數所含的一特定值的三維包絡曲面作為該待測樣品的一三維重建影像。

該顯示模組電連接該處理器，且受控於該處理器以顯示該三維重建影像。

本發明的功效在於：以掃描方式改變光源相對於待測樣品的位置以收集待測樣品在單一面向的二維繞射資料分布，將所有二維繞射資料分布佈建到雙球殼上，將一球殼上所含的資料點轉換在倒空間的三維強度分布，並在經多次過迭代演算後獲得相位回復的樣品函數和光源函數進而重建出待測樣品的三維影像，藉此能以相對容易、方便且省時的方式來收集足以實現相位回復所需的二維繞射資料分布，並克服了上述現有技術無法獲得全部角度之二維繞射圖譜的問題；此外，由於每一次入射在待測樣品上的光斑區域在尺寸上遠小於待測樣品，如此方式不僅適用於任何尺寸的待測樣品，而且可將待測樣品對於光照射所遭受之損害降至最低。

100:三維顯影系統

1:光源

2:驅動模組

3:二維光偵測器

4:處理器

41:座標轉換模組

42:迭代演算模組

43:迭代判定模組

44:重建模組

5:顯示模組

200:待測樣品

201:入射面

202:光斑區域

S21~S28:步驟

S40~S49:步驟

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一方塊圖，示例性地說明本發明實施例的一種利用掃描式同調光繞射的三維顯影系統的架構；圖2是一流程圖，示例性地說明該實施例如何對於一待測樣品執行一利用掃描式同調光繞射的三維顯影程序；圖3是一示意圖，示例性地說明該實施例中將一光源在一掃描位置入射在該待測樣品之光斑區域的同調光束經繞射後所產生的二維繞射資料分布佈建到三維球座標系的Eward球雙球殼；圖4是一流程圖，示例性地說明該實施例的一處理器的一迭代演算模組如何執行一次迭代演算；圖5是一立體透視圖，示例性地繪示出該待測樣品內部所含的一預定結構模型；圖6是截面圖，示例性地繪示出沿圖5的A-A線切割所獲得該預定結構模型的一二維切面、及根據相位回復的樣品函數所獲得對應於相同切割位置的重建二維切面；圖7是截面圖，示例性地繪示出沿圖5的B-B線切割所獲得該預定結構模型的另一二維切面、及根據該相位回復的樣品函數所獲得對應於相同切割位置的重建二維切面；及圖8是截面圖，示例性地繪示出沿圖5的C-C線切割所獲得該預定結構模型的又一二維切面、及根據該相位回復的樣品函數所獲得對應於相同切割位置的重建二維切面。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，示例性地繪示出本發明實施例的一種利用掃描式同調光繞射的三維顯影系統100係用於例如但不限於半導體產品的一待測樣品200的三維影像重建，並包含一光源1、一驅動模組2、一二維光偵測器3、一處理器4及一顯示模組5。

該光源1組配來可在一方向上與該待測樣品200的一入射面201相對的一平面(圖未示)內移動，並操作來對該待測樣品200的該入射面201發射如高強度X光的一同調光束(Coherent light beam)(見圖3)。

該驅動模組2組配來以一掃描方式驅動該光源1分別在該平面內的N個掃描位置移動，以使得照射在該待測樣品200的該入射面201上的N個光斑區域202其中任兩相鄰光斑區域202彼此部分重疊(見圖3)。在本實施例中，該N個掃描位置例如是沿著如圖3所示的一掃描方向來改變，但不在此限，並且N的數量可視該待測樣品200實際上需要影像重建的部位或大小來決定。當該光源1每次移動的距離是在微米等級時，該驅動模組2可以一微機電驅動機構來實現。

該二維光偵測器3例如是由一CCD(charge coupled device)陣列所組成，設置在該方向上，且操作來偵測來自該待測樣品200的散射光。

該處理器4電連接該二維光偵測器3以接收來自該二維光偵測器3的資料，並包括一用於處理座標轉換的座標轉換模組41、一用於處理迭代演算的迭代演算模組42、一用於判定是否完成迭代的迭代判定模組43、及一用於影像重建的重建模組44。該座標轉換模組41、該迭代演算模組42、該迭代判定模組43及該重建模組44其中每一者例如包含一個或多個由多個指令所組成的相關軟體程式。

該顯示模組5，例如一顯示幕，電連接並受控於該處理器4。

以下，將參閱圖1至圖3來示例地詳細說明該三維顯影系統100如何對於該待測樣品200執行一利用掃描式同調光繞射的三維顯影程序。該三維顯影程序包含以下步驟S21~S28。

在步驟S21中，在該驅動模組2以掃描方式驅動該光源1移動期間，該光源1分別在該N個掃描位置對該待測樣品200的該入射面201發射同調光束。

在步驟S22中，在該驅動模組2以掃描方式驅動該光源1移動期間，該二維光偵測器3偵測該光源1在每一掃描位置所發射之同調光束經由該待測樣品200的該入射面201的一對應光斑區域之繞射而產生對應於該掃描位置的一二維繞射資料分布(其可以是二維灰階圖的形式)，於是該二維光偵測器3將連續獲得的N個分別對應於該N個掃描位置的二維繞射資料分布輸出至該處理器4。請注意，相較於上述現有技術的強度資料收集方式所需的必要程序(如旋轉待測樣品、共同轉軸的校正等)，本實施例所採用的掃描方式，可以相對容易、方便且省時地完成強度資料收集。此外，由於每一次入射在該待測樣品200上的光斑區域在尺寸上遠小於該待測樣品200(如圖3所示)，相較於上述現有方式，如此的掃描方式不僅適用於任何尺寸的待測樣品，而且可以大幅減低該待測樣品200對於光照射所遭受之損害降。

值得注意的是，在該處理器4執行步驟S23之前，較佳地，該處理器4先對於來自該二維光偵測器3的每個二維繞射資料分布，利用已知的背景雜訊處理，濾除其中所含背景雜訊，藉此提升資料精確度。舉例來說，該背景雜訊處理例如可以先計算出每個二維繞射資料分布例如位於左上角的一方形區域內的資料平均值，然後將該資料平均值加上其三倍標準差值作為對應的背景雜訊值，最後將該二維繞射資料分布所含的每個資料值扣除該背景雜訊值，但不以此例為限。

然後，在步驟S23中，該座標轉換模組41利用數學座標轉換，將每個二維繞射資料分布所含的所有資料點佈建到例如Eward球的一三維球座標系以生成彼此相對於原點對稱之(Eward球)雙球殼，且將該雙球殼其中一者上所有資料點呈現於倒空間(Reciprocal Space)，即，傅立葉空間(Fourier Space)的一三維直角座標系，以獲得在倒空間且對應於該二維繞射資料分布的一三維強度分布

，其中j=1,...,N。在本實施例中，該二維繞射資料分布中每一資料點對應的(二維)傅立葉空間座標以(

,

)來表示，而該三維強度分布中每一資料點的三維傅立葉空間座標以(k _x ,k _y ,k _z)來表示，且二者之間具有以下的關係：

其中R為該該同調光之波長的倒數，即，Eward球的球半徑。

之後，在步驟S24中，該迭代演算模組42根據與該待測樣品之三維結構有關的樣品函數O _j,r、與該光斑區域之結構有關的光源函數P _j,r、及分別對應於該N個掃描位置的N個三維強度分布

,

,...,

，執行一次迭代演算以獲得對應於該次迭代演算的重建樣品函數和重建光源函數。

更明確地，以下將參考圖1及圖4來詳細說明該迭代演算模組42如何執行該次迭代演算。

首先，在步驟S40中，該迭代演算模組42使j=1。值得注意的是，該迭代演算模組41在初次執行該迭代演算且j=1時是以預設方式產生一含有該樣品函數O _j,r的初始樣品函數(以下以O ₀來表示) 和一含有該光源函數P _j,r的初始光源函數(以下以P ₀來表示)。具體而言，該樣品函數O _j,r和該光源函數P _j,r各自可以是三維矩陣之函數形式。

接著，在步驟S41中，該迭代演算模組42根據該樣品函數O _j,r和該光源函數P _j,r定義出與自該待測樣品200出射的電磁波有關的一波函數ψ _j,r。

然後，在步驟S42中，該迭代演算模組42將該波函數ψ _j,r進行傅立葉轉換以獲得在倒空間的分布資訊φ _j,q，即，φ _j,q=F{ψ _j,r}。

接著，在步驟S43中，該迭代演算模組42根據對應於第j個掃描位置的該三維強度分布

，在振幅上更新該分布資訊φ _j,q，以獲得更新的分布資訊

。更具體地，該三維強度分布

、該分布資訊φ _j,q和該更新的分布資訊

具有以下關係：

，其中

代表該分布資訊φ _j,q的振幅資訊。換言之，該迭代演算模組42以該二維光偵測器3所收集到並經過轉換成傅立葉空間的強度(即，振幅的平方)資訊來替代該分布資訊φ _j,q的振幅資訊。

之後，在步驟S44中，該迭代演算模組42將該更新的分布資訊

進行反傅立葉轉換以獲得在實空間(Real Space)的更新波函數

，即，

。

接著，在步驟S45中，該迭代演算模組42根據該樣品函數 O _j,r、該光源函數P _j,r和該更新波函數

且利用預定演算方式，獲得更新的樣品函數

和更新的光源函數

。更具體地，該更新的樣品函數

和該更新的光源函數

根據該預定演算方式分別被定義如下：

其中α和β各自代表預定參數(例如，α和β均為1)，

代表該樣品函數O _j,r的所有元素的共軛複數，且

代表該光源函數P _j,r的所有元素的共軛複數。

之後，在步驟S46中，該迭代演算模組42確定j是否等於N。在此情況下，由於j=1，所以該確定結果為否定，即，j≠N，則流程將接續進行步驟S47和步驟S48。

在步驟S47中，該迭代演算模組42將該更新的樣品函數

和該更新的光源函數

分別作為該樣品函數O _j,r和該光源函數P _j,r，然後使j=j+1(步驟S48)，即，j=2。

然後，在j=2的情況下，該迭代演算模組42重複執行步驟S41~步驟S48。同理，分別在j=3、j=4、...，j=N-1的情況下，該迭代演算模組42反覆執行步驟S41~S48，直到在j=N的情況下，該迭代演算模組42執行完步驟S41~S45後，在步驟S46中確定出j=N時，流程將進行至步驟S49。

在步驟S49中，該迭代演算模組42將在j=N的情況下獲得的該更新的樣品函數

和該更新的光源函數

分別作為該重建樣品函數和該重建光源函數。至此，該迭代演模組42完成本次迭代演算。

接著，在步驟S25中，該迭代判定模組43判定該迭代演算模組42在步驟S24中所獲得的該重建樣品函數是否符合於一預定收斂條件。若判定結果為肯定時，流程將進行步驟S26，否則，流程將返回至步驟S24，以便重複執行步驟S24和步驟S25。在本實施例中，該預定收斂條件例如包含有關於該迭代演算模組42在已執行的最後一次迭代演算獲得的重建樣品函數以及該初始樣品函數O ₀和該迭代演算模組42在執行最近於該最後一次迭代演算的前一次迭代演算獲得的重建樣品函數其中一者的誤差率err小於一預定閾值。更明確地，該誤差率err例如可被定義如下式：

其中m=0,1,...，且O _m+1代表該迭代演算模組42執行第m次迭代演算所獲得的重建樣品函數，而該預定閾值例如為0.1%。具體而言，當該迭代判定模組43判定出該迭代演算模組42在步驟S24所獲得的該重建樣品函數不符合於該預定收斂條件時，在此情況下，該迭代判定模組43會告知該迭代演算模組42，並使其將當次迭代演算所獲得的該重建樣品函數與該重建光源函數分別作為下一次迭代演算所需的該樣品函數O _j,r和該光源函數P _j,r。反之，當該迭代判定模組43判定出該迭代演算模組42(在已執行的最後一次迭代演算)所獲得重建樣品函數符合於該預定收斂條件時，該迭代判定模組43會將該迭代演算模組42在該最後一次迭代演算獲得的該重建樣品函數作為代表該待測樣品200的相位回復的樣品函數(步驟S26)。換言之，在經由多次迭演算後獲得的重建樣品函數會收斂到一個程度，其足以能將該樣品函數所欠缺的相位資訊成功回復。

附帶一提的是，若有需要獲得該光源1入射到該待測樣品200之光斑的三維結構時，該迭代判定模組43僅需在步驟S25中以相似於樣品函數之判定方式額外地執行該迭代演算模組42在步驟S24所獲得的該重建光源函數是否符合於該預定收斂條件的判定，以及後續的相關處理後，亦能獲得相位回復的光源函數，藉此作為重建該光源1之光斑的三維結構的依據。

接著，在步驟S27中，該重建模組44經由一預定三維繪圖應用程式(例如，isosurface軟體)的執行，根據該相位回復的樣品函數，以及相關的座標資料及/或該相位回復的樣品函數所含的任一特定值，將可生成對應的二維切面之結構及/或對應於該特定值的三維包絡曲面(其可作為該待測樣品200的一三維重建影像。同理，該重建模組44亦可根據該相位回復的光源函數並以相似的方式生成光斑的二維/三維重建影像。

最後，在步驟S28中，該處理器4使該顯示模組5顯示重建出的二維/三維重建影像，以供如檢測該待測樣品之技術人員觀看。

以下，將參閱圖5至圖8來說明該待測樣品200的一示例，以及本發明的三維顯影系統100對於該示例之待測樣品200所獲得的實驗結果。更明確地，圖5示例性地繪示出該待測樣品200內部所含對應於一特定材質的一預定(三維)結構模型。圖6示例性地繪示出沿圖5的A-A線切割所獲得該預定結構模型的一二維切面(如圖6中的左圖所示)，以及根據本實施例所獲得之相位回復的樣品函數所獲得對應於A-A線之相同切割位置的重建二維切面(如圖6中的右圖所示)。圖7示例性地繪示出沿圖5的B-B線切割所獲得該預定結構模型的另一二維切面(如圖7中的左圖所示)，以及根據該相位回復的樣品函數所獲得對應於B-B線之相同切割位置的重建二維截面(如圖7中的右圖所示)。圖8示例性地繪示出沿圖5的C-C線切割所獲得該預定結構模型的又一二維切面(如圖8中的左圖所示)，以及根據該相位回復的樣品函數所獲得對應於C-C線之相同切割位置的重建二維切面(如圖8中的右圖所示)。從圖6至圖8可看出，本發明的三維顯影系統100確實能重建出大致相似於該待測樣品200實際的二維/三維結構。

綜上所述，該三維顯影系統100是先以掃描方式改變該光源1相對於待測樣品200的位置以收集該待測樣品在單一面向的所有二維繞射資料分布，然後將所有二維繞射資料分布佈建到Eward球雙球殼上，將一球殼上所含的所有資料點呈現於倒空間的三維強度分布，並在經多次過迭代演算後獲得相位回復的樣品函數(及相位回復的光源函數)進而重建出該待測樣品200的二維/三維結構影像，藉此能以相對容易、方便且省時的方式來收集足以實現相位回復所需的二維繞射資料分布，並克服了上述現有技術無法獲得全部角度之二維繞射圖譜的問題。此外，由於每一次入射在該待測樣品200上的光斑區域202在尺寸上遠小於該待測樣品200，相較於上述現有方式，如此方式不僅適用於任何尺寸的待測樣品，而且可將該待測樣品200對於光照射所遭受之損害降至最低。因此，本發明三維顯影系統100確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

S21~S28:步驟

Claims

一種利用掃描式同調光繞射的三維顯影方法，用於一待測樣品的三維影像重建，並包含以下步驟：(A)藉由一可相對於該樣品移動之光源，以掃描的方式分別在N個掃描位置朝著該待測樣品的同一面向發射一同調光束，以使得照射在該待測樣品上的N個光斑區域其中的任兩相鄰光斑區域彼此部分重疊；(B)藉由一二維光偵測器，偵測該光源在每一掃描位置所發射之同調光束經由該待測樣品的一對應光斑區域之繞射而產生對應於該掃描位置的一二維繞射資料分布，以獲得N個分別對應於該N個掃描位置的二維繞射資料分布；(C)藉由一處理器，利用數學座標轉換，將每一二維繞射資料分布所含的所有資料點佈建到一三維球座標系以生成彼此相對於原點對稱之雙球殼且將該雙球殼其中一者上所有資料點呈現於倒(傅立葉)空間的一三維直角座標系，以獲得在倒空間且對應於該二維繞射資料分布的一三維強度分布
，其中j=1,...,N；(D)藉由該處理器，根據與該待測樣品之三維結構有關的樣品函數O _j,r、與該光斑區域之結構有關的光源函數P _j,r、及分別對應於該N個掃描位置的N個三維強度分布
,
,...,
，執行一次迭代演算以獲得對應於該次迭代演算的重建樣品函數和重建光源函數，在該次迭代演算中，該處理器依序使j=1到j=N反覆進行以下運算操作： (i)將由該樣品函數O _j,r和該光源函數P _j,r之乘積所定義的一波函數ψ _j,r進行傅立葉轉換以獲得在倒空間的分布資訊φ _j,q；(ii)根據對應於第j個掃描位置的該三維強度分布
，在振幅上更新該分布資訊φ _j,q，以獲得更新的分布資訊
；(iii)將該更新的分布資訊
進行反傅立葉轉換以獲得在實空間的更新波函數
；及(iv)根據該樣品函數O _j,r、該光源函數P _j,r和該更新波函數
且利用預定演算方式，獲得更新的樣品函數
和更新的光源函數
，且當j≠N時，將該更新的樣品函數
和該更新的光源函數
作為下一次的運算操作(i)中的該樣品函數O _j,r和該光源函數P _j,r；(E)藉由該處理器，在判定出該重建樣品函數不符合一預定收斂條件時，重複執行步驟(D)，並直到判定出已執行的最後一次迭代演算所獲得的重建樣品函數符合於該預定收斂條件時才停止執行步驟(D)；及(F)藉由該處理器，執行一預定三維繪圖應用程式並根據該最後一次迭代演算獲得的該重建樣品函數，生成對應於該重建樣品函數所含的一特定值的三維包絡曲面作為該待測樣品的一三維重建影像，並使該三維重建影像顯示於一顯示模組。
如請求項1所述的三維射顯影方法，其中，在步驟(D)中：該處理器在執行運算操作(ii)時，該三維強度分布
、該分布資訊φ _j,q和該更新的分布資訊
具有以下關係：
，其中
代表該分布資訊φ _j,q的振幅資訊；該處理器在執行運算操作(iv)時，該更新的樣品函數
和該更新的光源函數
根據該預定演算方式分別被定義為
及
(
-ψ _j,r)，其中α和β各自代表預定參數，
代表該樣品函數O _j,r的所有元素的共軛複數，且
代表該光源函數P _j,r的所有元素的共軛複數；及該處理器在執行完j=N的運算操作(iii)時，將獲得的該更新的樣品函數
和該更新的光源函數
分別作為該重建樣品函數和該重建光源函數。
如請求項1所述的三維顯影方法，其中，該處理器在初次執行步驟(D)且j=1時，是以預設方式產生一含有該樣品函數O _1,r的初始樣品函數和一含有該光源函數P _1,r的初始光源函數。
如請求項3所述的三維顯影方法，其中，在步驟(E)中，該預定收斂條件包含有關於該處理器在執行該最後一次迭代演算獲得的該重建樣品函數以及該初始樣品函數和該處理器在執行最近於該最後一次迭代演算的前一次迭代演算獲得的重建樣品函數其中一者的誤差率err小於一預定閾值。
如請求項4所述的三維顯影方法，其中：該誤差率err被定義為
，其中m=0,1,...，當m=0時，O ₀代表該初始樣品函數，且O _m+1代表該處理器執行第m次迭代演算所獲得的重建樣品函數；及該預定閾值為0.1%。
一種利用掃描式同調光繞射的三維顯影系統，用於一待測樣品的三維影像重建，並包含：一光源，可在一方向上與該待測樣品的一入射面相對的一平面內移動，並操作來對該待測樣品的該入射面發射一同調光束；一驅動模組，組配來以一掃描方式驅動該光源分別在該平面內的N個掃描位置移動，以使得照射在該待測樣品的該入射面上的N個光斑區域其中任兩相鄰光斑區域彼此部分重疊；一二維光偵測器，設置在該方向上且操作來偵測該光源在每一掃描位置所發射之同調光束經由該待測樣品的一對應光斑區域之繞射而產生對應於該掃描位置的一二維繞射資料分布，以獲得N個分別對應於該N個掃描位置的二維繞射資料分布；一處理器，電連接該二維光偵測器以接收該N個二維繞射資料分布，並包括：一座標轉換模組，利用數學座標轉換，將每一二維繞射資料分布所含的所有資料點佈建到一三維球座標系以生成彼此相對於原點對稱之雙球殼，且將該雙球殼其中一者上所有資料點呈現於倒(傅立葉)空間的一三維直角座標系，以獲得在倒空間且對應於該二維繞射資料分布的一三維強度分布
，其中j=1,...,N；一迭代演算模組，根據與該待測樣品之三維結構有關的樣品函數、與該光斑區域之結構有關的光源函數、及分別對應於該N個掃描位置的N個三維強度分布
,
,...,
，執行一次迭代演算以獲得對應於該次迭代演算的重建樣品函數和重建光源函數，在該次迭代演算中，該迭代演算模組依序使j=1到j=N反覆進行以下運算操作：(i)將由該樣品函數O _j,r和該光源函數P _j,r之乘積所定義的一波函數ψ _j,r進行傅立葉轉換以獲得在倒空間的分布資訊φ _j,q；(ii)根據對應於第j個掃描位置的該三維強度分布
，在振幅上更新該分布資訊φ _j,q，以獲得更新的分布資訊
；(iii)將該更新的分布資訊
進行反傅立葉轉換以獲得在實空間的更新波函數
；及(iv)根據該樣品函數O _j,r、該光源函數P _j,r和該更新波函數
且利用預定演算方式，獲得更新的樣品函數
和更新的光源函數
，且當j≠N時，將該更新的樣品函數
和該更新的光源函數
作為下一次的運算操作(i)中的該樣品函數O _j,r和該光源函數P _j,r；一迭代判定模組，在判定出該迭代演算模組所獲得的該重建樣品函數不符合於一預定收斂條件時，使該迭代演算模組將所獲得的該重建樣品函數與該重建光源函數分別作為該樣品函數O _j,r和該光源函數P _j,r並重複執行一次該迭代演算，直到判定出該迭代演算模組在已執行的最後一次迭代演算所獲得的重建樣品函數符合於該預定收斂條件時，將該迭代演算模組在該最後一次迭代演算獲得的該重建樣品函數作為代表該待測樣品的相位回復的樣品函數；及一重建模組，經由一預定三維繪圖應用程式的執行，根據該相位回復的樣品函數，生成對應於該相位回復的樣品函數所含的一特定值的三維包絡曲面作為該待測樣品的一三維重建影像；及一顯示模組，電連接該處理器，且受控於該處理器以顯示該三維重建影像。
如請求項6所述的三維顯影系統，其中：該迭代演算模組在執行運算操作(ii)時，該三維強度分布
、該分布資訊φ _j,q和該更新的分布資訊
具有以下關係：
，其中
代表該分布資訊φ _j,q的振幅資訊；該迭代演算模組在執行運算操作(iv)時，該更新的樣品函數
和該更新的光源函數
根據該預定演算方式分別被定義為
及

，其中α和β各自代表預定參數，
代表該樣品函數O _j,r的所有元素的共軛複數，且
代表該光源函數P _j,r的所有元素的共軛複數；及該迭代演算模組在執行完j=N的運算操作(iv)時，將獲得的該更新的樣品函數
和該更新的光源函數
分別作為該重建樣品函數和該重建光源函數。
如請求項6所述的三維顯影系統，其中，該迭代演算模組在初次執行該迭代演算且j=1時，是以預設方式產生一含有該樣品函數O _1,r的初始樣品函數和一含有該光源函數P _1,r的初始光源函數。
如請求項8所述的三維顯影系統，其中，該預定收斂條件包含有關於該迭代演算模組在執行該最後一次迭代演算獲得的該重建樣品函數以及該初始樣品函數和該迭代演算模組在執行最近於該最後一次迭代演算的前一次迭代演算獲得的重建樣品函數其中一者的誤差率err小於一預定閾值。
如請求項9所述的三維顯影系統，其中：該誤差率err被定義為
，其中m=0,1,...，當m=0時，O ₀代表該初始樣品函數，且O _m+1代表該迭代演算模組執行第m次迭代演算所獲得的重建樣品函數；及該預定閾值為0.1%。